New "i15" implementation of big integers (faster, and constant-time, on ARM Cortex...
[BearSSL] / src / int / i15_core.c
diff --git a/src/int/i15_core.c b/src/int/i15_core.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5ae3b31
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,479 @@
+/*
+ * Copyright (c) 2017 Thomas Pornin <pornin@bolet.org>
+ *
+ * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining 
+ * a copy of this software and associated documentation files (the
+ * "Software"), to deal in the Software without restriction, including
+ * without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish,
+ * distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to
+ * permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to
+ * the following conditions:
+ *
+ * The above copyright notice and this permission notice shall be 
+ * included in all copies or substantial portions of the Software.
+ *
+ * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, 
+ * EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF
+ * MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND 
+ * NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS
+ * BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN
+ * ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN
+ * CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
+ * SOFTWARE.
+ */
+
+#include "inner.h"
+
+/*
+ * This file contains the core "big integer" functions for the i15
+ * implementation, that represents integers as sequences of 15-bit
+ * words.
+ */
+
+/* see inner.h */
+uint32_t
+br_i15_iszero(const uint16_t *x)
+{
+       uint32_t z;
+       size_t u;
+
+       z = 0;
+       for (u = (x[0] + 15) >> 4; u > 0; u --) {
+               z |= x[u];
+       }
+       return ~(z | -z) >> 31;
+}
+
+/* see inner.h */
+uint16_t
+br_i15_ninv15(uint16_t x)
+{
+       uint32_t y;
+
+       y = 2 - x;
+       y = MUL15(y, 2 - MUL15(x, y));
+       y = MUL15(y, 2 - MUL15(x, y));
+       y = MUL15(y, 2 - MUL15(x, y));
+       return MUX(x & 1, -y, 0) & 0x7FFF;
+}
+
+/* see inner.h */
+uint32_t
+br_i15_add(uint16_t *a, const uint16_t *b, uint32_t ctl)
+{
+       uint32_t cc;
+       size_t u, m;
+
+       cc = 0;
+       m = (a[0] + 31) >> 4;
+       for (u = 1; u < m; u ++) {
+               uint32_t aw, bw, naw;
+
+               aw = a[u];
+               bw = b[u];
+               naw = aw + bw + cc;
+               cc = naw >> 15;
+               a[u] = MUX(ctl, naw & 0x7FFF, aw);
+       }
+       return cc;
+}
+
+/* see inner.h */
+uint32_t
+br_i15_sub(uint16_t *a, const uint16_t *b, uint32_t ctl)
+{
+       uint32_t cc;
+       size_t u, m;
+
+       cc = 0;
+       m = (a[0] + 31) >> 4;
+       for (u = 1; u < m; u ++) {
+               uint32_t aw, bw, naw;
+
+               aw = a[u];
+               bw = b[u];
+               naw = aw - bw - cc;
+               cc = naw >> 31;
+               a[u] = MUX(ctl, naw & 0x7FFF, aw);
+       }
+       return cc;
+}
+
+/*
+ * Constant-time division. The divisor must not be larger than 16 bits,
+ * and the quotient must fit on 17 bits.
+ */
+static uint32_t
+divrem16(uint32_t x, uint32_t d, uint32_t *r)
+{
+       int i;
+       uint32_t q;
+
+       q = 0;
+       d <<= 16;
+       for (i = 16; i >= 0; i --) {
+               uint32_t ctl;
+
+               ctl = LE(d, x);
+               q |= ctl << i;
+               x -= (-ctl) & d;
+               d >>= 1;
+       }
+       if (r != NULL) {
+               *r = x;
+       }
+       return q;
+}
+
+/* see inner.h */
+void
+br_i15_muladd_small(uint16_t *x, uint16_t z, const uint16_t *m)
+{
+       /*
+        * Constant-time: we accept to leak the exact bit length of the
+        * modulus m.
+        */
+       unsigned m_bitlen, mblr;
+       size_t u, mlen;
+       uint32_t hi, a0, a, b, q;
+       uint32_t cc, tb, over, under;
+
+       /*
+        * Simple case: the modulus fits on one word.
+        */
+       m_bitlen = m[0];
+       if (m_bitlen == 0) {
+               return;
+       }
+       if (m_bitlen <= 15) {
+               uint32_t rem;
+
+               divrem16(((uint32_t)x[1] << 15) | z, m[1], &rem);
+               x[1] = rem;
+               return;
+       }
+       mlen = (m_bitlen + 15) >> 4;
+       mblr = m_bitlen & 15;
+
+       /*
+        * Principle: we estimate the quotient (x*2^15+z)/m by
+        * doing a 30/15 division with the high words.
+        *
+        * Let:
+        *   w = 2^15
+        *   a = (w*a0 + a1) * w^N + a2
+        *   b = b0 * w^N + b2
+        * such that:
+        *   0 <= a0 < w
+        *   0 <= a1 < w
+        *   0 <= a2 < w^N
+        *   w/2 <= b0 < w
+        *   0 <= b2 < w^N
+        *   a < w*b
+        * I.e. the two top words of a are a0:a1, the top word of b is
+        * b0, we ensured that b0 is "full" (high bit set), and a is
+        * such that the quotient q = a/b fits on one word (0 <= q < w).
+        *
+        * If a = b*q + r (with 0 <= r < q), then we can estimate q by
+        * using a division on the top words:
+        *   a0*w + a1 = b0*u + v (with 0 <= v < b0)
+        * Then the following holds:
+        *   0 <= u <= w
+        *   u-2 <= q <= u
+        */
+       hi = x[mlen];
+       if (mblr == 0) {
+               a0 = x[mlen];
+               memmove(x + 2, x + 1, (mlen - 1) * sizeof *x);
+               x[1] = z;
+               a = (a0 << 15) + x[mlen];
+               b = m[mlen];
+       } else {
+               a0 = (x[mlen] << (15 - mblr)) | (x[mlen - 1] >> mblr);
+               memmove(x + 2, x + 1, (mlen - 1) * sizeof *x);
+               x[1] = z;
+               a = (a0 << 15) | (((x[mlen] << (15 - mblr))
+                       | (x[mlen - 1] >> mblr)) & 0x7FFF);
+               b = (m[mlen] << (15 - mblr)) | (m[mlen - 1] >> mblr);
+       }
+       q = divrem16(a, b, NULL);
+
+       /*
+        * We computed an estimate for q, but the real one may be q,
+        * q-1 or q-2; moreover, the division may have returned a value
+        * 8000 or even 8001 if the two high words were identical, and
+        * we want to avoid values beyond 7FFF. We thus adjust q so
+        * that the "true" multiplier will be q+1, q or q-1, and q is
+        * in the 0000..7FFF range.
+        */
+       q = MUX(EQ(b, a0), 0x7FFF, q - 1 + ((q - 1) >> 31));
+
+       /*
+        * We subtract q*m from x (x has an extra high word of value 'hi').
+        * Since q may be off by 1 (in either direction), we may have to
+        * add or subtract m afterwards.
+        *
+        * The 'tb' flag will be true (1) at the end of the loop if the
+        * result is greater than or equal to the modulus (not counting
+        * 'hi' or the carry).
+        */
+       cc = 0;
+       tb = 1;
+       for (u = 1; u <= mlen; u ++) {
+               uint32_t mw, zl, xw, nxw;
+
+               mw = m[u];
+               zl = MUL15(mw, q) + cc;
+               cc = zl >> 15;
+               zl &= 0x7FFF;
+               xw = x[u];
+               nxw = xw - zl;
+               cc += nxw >> 31;
+               nxw &= 0x7FFF;
+               x[u] = nxw;
+               tb = MUX(EQ(nxw, mw), tb, GT(nxw, mw));
+       }
+
+       /*
+        * If we underestimated q, then either cc < hi (one extra bit
+        * beyond the top array word), or cc == hi and tb is true (no
+        * extra bit, but the result is not lower than the modulus).
+        *
+        * If we overestimated q, then cc > hi.
+        */
+       over = GT(cc, hi);
+       under = ~over & (tb | LT(cc, hi));
+       br_i15_add(x, m, over);
+       br_i15_sub(x, m, under);
+}
+
+/* see inner.h */
+void
+br_i15_montymul(uint16_t *d, const uint16_t *x, const uint16_t *y,
+       const uint16_t *m, uint16_t m0i)
+{
+       size_t len, len4, u, v;
+       uint32_t dh;
+
+       len = (m[0] + 15) >> 4;
+       len4 = len & ~(size_t)3;
+       br_i15_zero(d, m[0]);
+       dh = 0;
+       for (u = 0; u < len; u ++) {
+               uint32_t f, xu, r, zh;
+
+               xu = x[u + 1];
+               f = MUL15(d[1] + MUL15(x[u + 1], y[1]), m0i) & 0x7FFF;
+
+               r = 0;
+               for (v = 0; v < len4; v += 4) {
+                       uint32_t z;
+
+                       z = d[v + 1] + MUL15(xu, y[v + 1])
+                               + MUL15(f, m[v + 1]) + r;
+                       r = z >> 15;
+                       d[v + 0] = z & 0x7FFF;
+                       z = d[v + 2] + MUL15(xu, y[v + 2])
+                               + MUL15(f, m[v + 2]) + r;
+                       r = z >> 15;
+                       d[v + 1] = z & 0x7FFF;
+                       z = d[v + 3] + MUL15(xu, y[v + 3])
+                               + MUL15(f, m[v + 3]) + r;
+                       r = z >> 15;
+                       d[v + 2] = z & 0x7FFF;
+                       z = d[v + 4] + MUL15(xu, y[v + 4])
+                               + MUL15(f, m[v + 4]) + r;
+                       r = z >> 15;
+                       d[v + 3] = z & 0x7FFF;
+               }
+               for (; v < len; v ++) {
+                       uint32_t z;
+
+                       z = d[v + 1] + MUL15(xu, y[v + 1])
+                               + MUL15(f, m[v + 1]) + r;
+                       r = z >> 15;
+                       d[v + 0] = z & 0x7FFF;
+               }
+
+               zh = dh + r;
+               d[len] = zh & 0x7FFF;
+               dh = zh >> 31;
+       }
+
+       /*
+        * Restore the bit length (it was overwritten in the loop above).
+        */
+       d[0] = m[0];
+
+       /*
+        * d[] may be greater than m[], but it is still lower than twice
+        * the modulus.
+        */
+       br_i15_sub(d, m, NEQ(dh, 0) | NOT(br_i15_sub(d, m, 0)));
+}
+
+/* see inner.h */
+void
+br_i15_to_monty(uint16_t *x, const uint16_t *m)
+{
+       unsigned k;
+
+       for (k = (m[0] + 15) >> 4; k > 0; k --) {
+               br_i15_muladd_small(x, 0, m);
+       }
+}
+
+/* see inner.h */
+void
+br_i15_modpow(uint16_t *x,
+       const unsigned char *e, size_t elen,
+       const uint16_t *m, uint16_t m0i, uint16_t *t1, uint16_t *t2)
+{
+       size_t mlen;
+       unsigned k;
+
+       mlen = ((m[0] + 31) >> 4) * sizeof m[0];
+       memcpy(t1, x, mlen);
+       br_i15_to_monty(t1, m);
+       br_i15_zero(x, m[0]);
+       x[1] = 1;
+       for (k = 0; k < ((unsigned)elen << 3); k ++) {
+               uint32_t ctl;
+
+               ctl = (e[elen - 1 - (k >> 3)] >> (k & 7)) & 1;
+               br_i15_montymul(t2, x, t1, m, m0i);
+               CCOPY(ctl, x, t2, mlen);
+               br_i15_montymul(t2, t1, t1, m, m0i);
+               memcpy(t1, t2, mlen);
+       }
+}
+
+/* see inner.h */
+void
+br_i15_encode(void *dst, size_t len, const uint16_t *x)
+{
+       unsigned char *buf;
+       size_t u, xlen;
+       uint32_t acc;
+       int acc_len;
+
+       xlen = (x[0] + 15) >> 4;
+       if (xlen == 0) {
+               memset(dst, 0, len);
+               return;
+       }
+       u = 1;
+       acc = 0;
+       acc_len = 0;
+       buf = dst;
+       while (len -- > 0) {
+               if (acc_len < 8) {
+                       if (u <= xlen) {
+                               acc += (uint32_t)x[u ++] << acc_len;
+                       }
+                       acc_len += 15;
+               }
+               buf[len] = (unsigned char)acc;
+               acc >>= 8;
+               acc_len -= 8;
+       }
+}
+
+/* see inner.h */
+uint32_t
+br_i15_decode_mod(uint16_t *x, const void *src, size_t len, const uint16_t *m)
+{
+       /*
+        * Two-pass algorithm: in the first pass, we determine whether the
+        * value fits; in the second pass, we do the actual write.
+        *
+        * During the first pass, 'r' contains the comparison result so
+        * far:
+        *  0x00000000   value is equal to the modulus
+        *  0x00000001   value is greater than the modulus
+        *  0xFFFFFFFF   value is lower than the modulus
+        *
+        * Since we iterate starting with the least significant bytes (at
+        * the end of src[]), each new comparison overrides the previous
+        * except when the comparison yields 0 (equal).
+        *
+        * During the second pass, 'r' is either 0xFFFFFFFF (value fits)
+        * or 0x00000000 (value does not fit).
+        *
+        * We must iterate over all bytes of the source, _and_ possibly
+        * some extra virutal bytes (with value 0) so as to cover the
+        * complete modulus as well. We also add 4 such extra bytes beyond
+        * the modulus length because it then guarantees that no accumulated
+        * partial word remains to be processed.
+        */
+       const unsigned char *buf;
+       size_t mlen, tlen;
+       int pass;
+       uint32_t r;
+
+       buf = src;
+       mlen = (m[0] + 15) >> 4;
+       tlen = (mlen << 1);
+       if (tlen < len) {
+               tlen = len;
+       }
+       tlen += 4;
+       r = 0;
+       for (pass = 0; pass < 2; pass ++) {
+               size_t u, v;
+               uint32_t acc;
+               int acc_len;
+
+               v = 1;
+               acc = 0;
+               acc_len = 0;
+               for (u = 0; u < tlen; u ++) {
+                       uint32_t b;
+
+                       if (u < len) {
+                               b = buf[len - 1 - u];
+                       } else {
+                               b = 0;
+                       }
+                       acc |= (b << acc_len);
+                       acc_len += 8;
+                       if (acc_len >= 15) {
+                               uint32_t xw;
+
+                               xw = acc & (uint32_t)0x7FFF;
+                               acc_len -= 15;
+                               acc = b >> (8 - acc_len);
+                               if (v <= mlen) {
+                                       if (pass) {
+                                               x[v] = r & xw;
+                                       } else {
+                                               uint32_t cc;
+
+                                               cc = (uint32_t)CMP(xw, m[v]);
+                                               r = MUX(EQ(cc, 0), r, cc);
+                                       }
+                               } else {
+                                       if (!pass) {
+                                               r = MUX(EQ(xw, 0), r, 1);
+                                       }
+                               }
+                               v ++;
+                       }
+               }
+
+               /*
+                * When we reach this point at the end of the first pass:
+                * r is either 0, 1 or -1; we want to set r to 0 if it
+                * is equal to 0 or 1, and leave it to -1 otherwise.
+                *
+                * When we reach this point at the end of the second pass:
+                * r is either 0 or -1; we want to leave that value
+                * untouched. This is a subcase of the previous.
+                */
+               r >>= 1;
+               r |= (r << 1);
+       }
+
+       x[0] = m[0];
+       return r & (uint32_t)1;
+}